学习资料三：认识围岩的稳定性

学习资料三认识围岩的稳定性上节课回顾1.看下面的几组洞门图片，请说出洞门的类型。2.明洞是用明挖法修建的隧道，那么明洞根据地形地质情况和危害情况的不同，通常采用哪两种明洞形式？拱式明洞和棚式明洞为什么要研究围岩的稳定性？一、研究围岩稳定性的意义围岩的稳定性：隧道开挖后，在不支护条件下围岩的稳定程度。二、什么事隧道工程的头等大事？研究围岩的稳定性，如何促使围岩的稳定。坑道开挖后，围岩会有那些情形？成洞的三种情形有时不需要任何支撑就可获得稳定的洞室有时则需要加以支撑才能获得稳定的洞室由于支撑不及时或不足而导致围岩坍塌堵塞洞室是最希望的经常要做的要尽量避免第一部分概念1.岩体：在漫长的地质历史中，经过岩石建造、构造形变和次生蜕变而形成的地质体。它被许许多多不同方向、不同规模的断层面、层理面、节理面和裂隙面等各种地质界面切割成大小不等、形状各异的各种块体。工程地质学中将这些地质界面称之为结构面或不连续面，将这些块体称之为结构体，并将岩体看作是由结构面、结构体以及结构面之间的填充物组合而成的具有各种结构特征的地质体。

（1）层理：层理是指岩层中物质的成分、颗粒大小、形状和颜色在垂直方向发生改变时产生的纹理。岩石层之间的分割面称为层理面。

（2）片理：又称“片状构造”。指岩石形成薄片状的构造。

（3）节理：岩层受构造应力作用发生断裂，沿断裂面两侧的岩层未发生移动或仅发生了微小的错动的断裂构造称构造裂隙或构造节理，有时简称节理。

（4）断层：岩层受构造应力作用发生断裂，沿断裂面两侧岩层发生了移动或明显错位的断裂构造被称为断层。2.围岩：隧道周围一定范围内，受隧道工程施工和车辆荷载影响的那部分岩体。围岩和岩体的关系一、组成：

岩体=被挖除的岩体+围岩+围岩以外的原状岩体岩体=结构体+结构面+填充物。二、关系：①围岩是岩体，但岩体不一定是围岩。②围岩是主要承载结构，其稳定性的重要性远大于被挖除岩体的挖除难易程度。③围岩以外的原状岩体与隧道施工关系不大。

12岩石和岩体的关系二、关系：①岩石是由矿物或岩屑在地质作用下按一定规律聚集而形成的自然体，也就是我们通常所说的石头。而岩体是指一定工程范围内的自然地质体。它除本身是由岩石构成外，还包含了地应力及各种地质作用于长期地质历史时期中在岩石中所形成的各种构造痕迹（整合、不整合接触面，褶皱，断层，层理、节理、劈理、片理以及其它隐微裂隙）。②岩体结构的基本要素是构成岩体的结构体（岩石）和将结构体分割开来的结构面。其中结构体是被各种构造形迹和裂隙分割而成的岩石块体；结构面就是各种构造形迹或裂隙。结构面的存在是岩体不同于岩石概念的根本原因，结构面是岩体的重要组成单元。岩体力学性质的好坏在大多数情况下都取决于结构面的性质，而非岩石本身的性质。

概念疑点各向同性：亦称“均质性”。指物体的物理、化学等方面的性质不会因方向的不同而有所变化的特性，即某一物体在不同的方向所测得的性能数值完全相同。

各向异性：亦称“非均质性”。物体的全部或部分物理、化学等性质随方向的不同而各自表现出一定的差异的特性。即在不同的方向所测得的性能数值不同。质地不均匀，各方面强度不一致。

弹性体：在外力作用下，内部各点的应变和应力一一对应，当外力除去后能恢复到原来状态的物体。

塑性体：受力能变形，外力消失后不再恢复原来形状的材料。

弹塑性体：物体在外力施加的同时立即产生全部变形，而在外力解除的同时，只有一部分变形立即消失，其余部分变形在外力解除后却永远不会自行消失的性能。第二部分岩体的工程性质一、岩体的变形特性1、岩体的受拉变形特性

岩体在拉力作用下，结构面很容易发生断裂或脱离，其抗拉性能很低或没有抗拉性能。2、岩体的受压变形特性压密阶段（OA）：主要是由岩体中结构面的闭合和充填物的压缩而产生的，形成了非线性凹状曲线，变形模量小，总的压缩量取决于结构面的性态，且这部分变形本质上是不能恢复的，属于不可恢复的塑性变形。弹性阶段（AB）：岩体充分压密后便进入弹性阶段。所表现出的弹性变形是岩体的结构面和结构体共同产生的，应力-应变关系呈直线。同时，岩体的弹性模量也趋近于整体岩石的数值。塑性阶段（BC）：岩体继续受力，变形发展到弹性极限后便进入到塑性阶段，此时岩体的变形特征受结构面和结构体的变形特性共同制约。整体性好的岩体延性小，塑性变形不明显，达到强度极限后变迅速破坏。破裂岩体塑性变形大，有甚至的从压密阶段直接发展到塑性阶段，而不经过弹性阶段。破裂和破坏阶段（CD）：应力达到峰值后，岩体即开始破裂和破坏。破坏开始时，应力下降比较缓慢，说明破裂面上仍具有一定的摩擦力，岩体还能承受一定的荷载。而后，应力急剧下降，岩体全面崩溃。通过单轴受压图，比较岩石、岩体和软弱结构面的受压变形特性：

①岩石在大部分时间应力-应变呈线性关系，故以弹性变形为主。②软弱结构面应变增长远大于应力增长，呈非线性关系，故以塑性变形为主。

弹性体：在外力作用下，内部各点的应变和应力一一对应，当外力除去后能恢复到原来状态的物体。

塑性体：受力能变形，外力消失后不再恢复原来形状的材料。

弹塑性体：物体在外力施加的同时立即产生全部变形，而在外力解除的同时，只有一部分变形立即消失，其余部分变形在外力解除后却永远不会自行消失的性能。3、岩体的受剪变形特性

①结构体不参与作用，沿结构面滑动。

②结构面不参与作用，沿结构体断裂。

③结构面和结构体同时参与作用，结构体被剪断。4.岩体的流变特性：岩体在受压或受剪的情况下，岩体的变形随着时间的增长达到终值，并不是瞬间完成的。图a）：应力不变，应变随时间增长。“蠕变”图b）：应变不变，应力随时间降低。“松弛”具有流变特性的岩体：①极度软弱破碎的岩层②含有大量泥质软弱填充物的一般破碎岩体。二、岩体的强度特性1、岩体的抗压强度

①岩体的抗压强度比岩石的抗压强度低得多。②岩体的抗压强度具有明显的各向异性。岩体的抗压强度随层面倾角的增大而减小。大于50°为层间剪切破坏，小于32°为层内轴向劈裂破坏。2、岩体的抗剪强度

①剪切力使得岩体主要沿结构面滑移时，岩体表现为塑性破坏，抗剪强度低。②剪切力使得岩体主要沿结构体滑移时，岩体表现为脆性破坏，抗剪强度高。③剪切力使得岩体沿结构体和结构面滑移，其抗剪强度介于上述两者之间。塑性破坏：岩体、土体在外力作用下出现明显的塑性变形后发生的破坏。事先有明显的变形和裂缝预兆，可以及时采取措施予以补救，危险性相对于脆性破坏稍小。脆性破坏：加载后，无明显变形，因此破坏前无预兆，断裂时断口平齐，呈有光泽的晶粒状。脆性破坏危险性大。三、岩体的结构特性岩体=结构体+结构面+填充物。

岩体工程性质的特点？①岩体的变形特性不同于结构体，也不同于结构面。②岩体的变形表现出或强或弱的流变特性。③岩体的抗压强度低于岩石的抗压强度，具有明显的“各向异性”。④岩体的抗剪强度主要受岩体结构面的性质和形态控制。⑤岩体的结构特征对其力学性质影响很大，继而影响岩体的破坏形态。

上节课回顾1.岩体是在漫长的地质历史中，经过岩石建造、构造形变和次生蜕变而形成的地质体。岩体是由

、结构面以及结构面之间的

组合而成的具有各种结构特征的地质体。结构体、填充物。2.

是弹性体，

是弹塑性体，

是塑性体。A.软弱结构面B.岩体C.岩石CBA3.岩体在受压情况下的应力-应变曲线分为那四个阶段？压密阶段、弹性阶段、塑性阶段、破坏阶段。第三部分岩体的原始应力状态开挖坑道前：围岩处于相对稳定和平衡状态。“原始应力状态”开挖坑道后：围岩内边界的约束解除，失去原有的平衡，围岩表现为“松弛”和向着坑道方向的“位移”。一、岩体原始应力组成1）自重应力—某一点的自重应力是上覆岩层的自重所引起，与上覆岩层的质量和藏深度有关2）构造应力—地质构造运动引起的地下某点的应力。与岩体的特性（节理分布、岩体弹塑性、粘性特性）和地质构造现象有关

3）其它作用—地形、地震、水、地温等均可产生地应力以上三种作用中，自重应力与地质构造应力是主要的、普遍存在的地应力。

(一)自重应力场在自重应力场中，地表以下任一深度H处的垂直应力等与其上覆岩体的重量

以压应力为正，为岩体的容重当上覆岩体为多层时，则为式中—

第i层岩体的容重

—

第i层岩体的厚度

地表水平时的自重应力场围岩自重应力场的变化规律：应力是随深度成线性增加(二)构造应力场地质力学认为：地壳各处发生的一切构造变形与破裂都是地应力作用的结果。因而地质力学就把构造体系和构造形式在形成过程中的应力状态称为构造应力场。我国大陆初始应力场(包括自重应力场和构造应力场)的变化规律大致可以归纳为如下几点：①地质构造形态不仅改变了重力应力场，而且除以各种构造形态获得释放外，还以各种形式积蓄在岩体内，这种残余构造应力将对地下工程产生重大影响。②垂直应力的量值随深度增加而增大，而且水平应力普遍大于垂直应力。二、围岩初始应力场的影响因素

围岩的初始应力状态，一般受到两类因素的影响：第一类因素有重力、温度、岩体的物理力学性质及构造、地形等经常性的因素；第二类因素有地壳运动、地下水活动、人类的长期活动等暂时性的或局部性的因素。因此，在众多的因素中要特别研究下面几点：

1、地形和地貌。

2、岩体的力学性质。

3、地温。

4、人类活动。

第四部分岩体的应力历程及稳定性分析一、围岩的应力历程：“一次应力场”：开挖坑道前，围岩处于相对应力平衡和稳定状态，也称“原始应力状态”。“二次应力场”：开挖坑道后，围岩自稳或支护前，围岩失去原有的应力平衡和稳定状态，应力状态改变，形成新的应力状态。“应力重分布”“三次应力场”：围岩自稳或人工支护后，围岩获得新的应力平衡和稳定状态。由此我们看出：一次应力场和三次应力场是稳定的应力状态，二次应力场是从一次应力场到三次应力场的变化状态。地下开挖后由于应力重新分布，引起洞周产生应力集中现象。①当围岩应力小于岩体强度极限（脆性岩石）或屈服极限（塑性岩石）时，洞室围岩稳定；②当围岩应力超过了岩体屈服极限时，围岩就由弹性状态转化为塑性状态，形成一个塑性松动圈。在此过程中，原来洞室周边高应力逐渐向外转移，形成新的应力升高区。该区岩体挤压得紧密，尤如一圈天然加固体，故称为承载圈。二、围岩的破坏失稳状态：脆性破坏整体状和巨块状岩体，在很高地应力作用下，岩体会发生“岩爆”。稳定性很高。块状运动块状和层状岩体，块间和层间结合力弱，在二次应力和自重应力作用下，发生滑动、转动、塌落。弯曲折断层状岩体，层间结合力差，易于错动，抗弯能力差，洞顶岩体在自重作用下下沉弯曲，进而张裂折断，形成坍塌。边墙岩体在水平力作用下易变形挤入洞室，甚至滑塌。松动解脱破裂结构或散体结构的岩体，结构松散，开挖时随挖随塌，怕扰动，具有很强的流变性。塑性变形严重风化岩体，强度极低，开挖后，塑性变形不能停止。岩爆渐进破坏过程示意图A、劈裂；B、剪断；C、弹射

岩爆的渐进性破坏过程很短促.各阶段在演化的时序和发展的空间部位,都是由洞壁向围岩深部依次重复更迭发生的.因此，岩爆引起的围岩破坏区可以分弹射带、劈裂-剪切带和劈裂带等三带.脆性破坏—岩爆层状岩体围岩常呈软硬岩层相间的互层形式。结构面以层理面为主，并有层间错动及泥化夹层等软弱结构面发育。变形破坏主要受岩层产状及岩层组合等控制，破坏形式主要有：沿层面张裂、折断塌落、弯曲内鼓等。变形破坏常可用弹性梁、弹性板或材料力学中的压杆平衡理论来分析。

在水平层状围岩中，洞顶岩层可视为两端固定的板梁，在顶板压力下，将产生下沉弯曲、开裂。在倾斜层状围岩中，常表现为现为沿倾斜方向一侧岩层弯曲塌落。另一侧边墙岩块滑移等破坏形式，形成不对称的塌落拱。将出现偏压现象。在直立层状围岩中，当天然应力比值系数λ＜1/3时，洞顶发生沿层面纵向拉裂，被拉断塌落。侧墙则因压力平行于层面，常发生纵向弯折内鼓，进而危及洞顶安全。碎裂状岩体围岩碎裂岩体是指断层、褶曲、岩脉穿插挤压和风化破碎加次生夹泥的岩体。变形破坏形式常表现为塌方和滑动。用松散介质极限平衡理论来分析。在夹泥少、以岩块刚性接触为主的碎裂围岩中，不易大规模塌方。围岩中含泥量很高时，由于岩块间不是刚性接触，易产生大规模塌方或塑性挤入散体状岩体围岩散体状岩体是指强烈构造破碎、强烈风化的岩体。常表现为弹塑性、塑性或流变性。围岩结构均匀时，以拱顶冒落为主。当围岩结构不均匀或松动岩体仅构成局部围岩时，常表现为局部塌方、塑性挤入及滑动等变形破坏形式。可用松散介质极限平衡理论配合流变理论来分析。三、围岩的稳定的影响因素：1.二次应力和二次应变

二次应力大于岩体强度，引起岩体的变形和位移，但是不一定能够引起围岩的坍塌。除非变形积累超过围岩的变形承载能力，才会引起围岩的坍塌。2.局部破坏①整体性较好的围岩不会导致围岩坍塌失稳②镶嵌结构的块状围岩，常因关键岩块的塌落引起整体失稳③一定空间效应的散体结构围岩，可以保持较长时间不坍塌，完全没有空间效应的散体结构围岩，会随挖随塌。3.结构条件

①隧道坑道形状用围岩“自然成拱作用”常将横断面设计成马蹄型。（水平应力不大，两侧边墙可以设计成直边墙，坑道底部无上鼓力时，坑道断面可设计成直底板。）

②隧道坑道的断面越大，围岩的相对稳定性越小，反之，隧道的相对稳定性越大。4.施工条件

①开挖方法（开挖次数越多，应力重分布次数越多，不利于围岩的稳定性）②开挖面的支撑作用。（后一次开挖对已开挖区段围岩的二次应力场有影响，掌子面前方未被挖除的岩体对已开挖区段的围岩有约束作用。③掘进方式。掘进方式破岩时造成的冲击和振动强度越大，对围岩的扰动越大，围岩的稳定越不利。④施工速度。若开挖快，支护慢，那么围岩自由变形积累对围岩不利。必须做到，开挖后立即支护。⑤风化作用。围岩开挖后，暴露时间越长，对围岩越不利。

围岩稳定的影响因素1、围岩工程地质条件2、隧道工程结构条件3、隧道工程施工条件围岩所处的原始应力状态围岩的破碎程度和结构特征围岩所处的地质构造环境地下水的作用等条件指隧道所处的位置坑道形状（尤其是顶部形状）坑道的断面大小等条件施工方法（扰动程度）施工速度（围岩的暴露时间）支护的施作时间、时机支护的力学性能支护与围岩的协调状态1.围岩的结构特征是指什么？①岩体结构面的产出情况，如层理、板理、片理等。②围岩的完整程度。③软硬岩性的含量比。2.围岩的地质构造环境是指什么？地壳或岩石圈各个组成部分的形态及其相互结合方式和面貌特征的总称。构造是岩石或岩层在地球内动力的作用下产生的原始面貌。3.隧道所处的位置是指什么？隧道从一侧洞门到另一侧洞门所经历的路线。第五部分岩体的稳定性分级

1、为什么要分级？

①确定初期支护的类型

②确定采用的开挖方式和施工方法。规范规定在详测阶段和施工设计阶段，特别是施工期间必须进行定性与定量相结合的分级，并应根据勘测测试资料和开挖揭露的岩体，观察量测资料，对初步分级进行检验和修正，确定围岩详细分级。2、新规范（JTGD70-2004）公路隧道围岩分级方法3、新老规范关于围岩级别划分的区别

1）称谓不同

新设计规范――围岩级别岩体的完整性：即岩体在遭受构造运动和浅表生改造后的完整程度。包括两个方面一个就是几何完整性，另外一个就是力学完整性。原设计规范――围岩类别定性评价标准：根据岩体的几何宏观形态，从结构面发育程度出发来衡量岩体的完整性。

2）表示符号虽然相同，但表示稳定性的意义相反。

3）坚硬性

4）完整性系数的定性不同

岩体的完整性：即岩体在遭受构造运动和浅表生改造后的完整程度。岩体的完整性有两层含义:第1层含义是几何(宏观形态)完整性，即从结构面发育程度出发来衡量的、肉眼可以看到的岩体完整程度，表征的指标有裂隙间距D、岩体体积节理数Jv、岩石质量指标RQD；第2层含义是力学(工程)完整性(似完整性)，即撇开肉眼的完整性判断，从岩体满足工程荷载的力学需求的角度来评价的岩体完整性，表征的指标主要有岩体体积节理数Jv

、岩体完整性系数Kv等。岩体完整程度采用定性划分和定量指标两种方法确定。围岩级别围岩或土体主要定性特征围岩基本质量指标BQ或修正的围岩基本质量指标[BQ]Ⅰ坚硬岩，岩体完整，巨整体状或巨厚层状结构>550Ⅱ坚硬岩，岩体较完整，块状或厚层状结构；较坚硬岩，岩体完整，块状整体结构550～451Ⅲ坚硬岩，岩体较破碎，巨块(石)碎(石)状镶嵌结构；较坚硬岩或较软硬岩层，岩体较完整，块状体或中厚层结构450～351Ⅳ坚硬岩，岩体破碎，碎裂结构；较坚硬岩，岩体较破碎．破碎，镶嵌碎裂结构；较软岩或软硬岩互层，且以软岩为主，岩体较完整～较破碎，中薄层状结构350～251土体：1压密或成岩作用的粘性土及砂性土；2黄土(Ql、Q2)；3一般钙质、铁质胶结的碎石土、卵石土、大块右土Ⅴ较软岩，岩体破碎；软岩，岩体较破碎～破碎；极破碎各类岩体，碎、裂状，松散结构≤250一般第四系的半干硬至硬塑的粘性土及稍湿至潮湿的碎石上，卵石土、圆砾、角砾土及黄土(Q3、Q4)。非粘性土呈松散结构，粘性土及黄土呈松软结构Ⅵ软塑状粘性土及潮湿、饱和粉细砂层、软土等注：本表不适用于特殊条件的围岩分级，如膨胀性围岩、多年冻土等。

岩体质量分类:岩体=岩石+不连续结构面（节理、裂隙等），同时考虑围岩所处的岩土环境，如地下水、地应力、洞室线路方向等。总之，岩体质量分类不是单一因素决定的，也就是说岩石强度很大，岩体质量分类不一定就高，还要看其它东西！岩体质量分类是通过岩石的UCS（单轴抗压）+GSI（地质强度指标，与结构面有关）+岩石类别来确定岩体的一系列参数，一定要建立起这个概念！围岩级别与围岩类别的关系围岩级别（新规范）ⅠⅡⅢⅣⅤⅥ围岩类别（原设计规范）ⅥⅤⅣⅢⅡⅠ稳定性最好最差围岩级别：差异性、量的界定、等级围岩类别：统一性、质的定性评价、属性围岩级别与围岩类别的关系:级别和类别不能直接换算，简单的说其基本上是相反的关系，类别越大岩层越好,级别越大岩层越差，即Ⅰ类围岩对应Ⅵ级围岩,Ⅱ类围岩对应Ⅴ级围岩,Ⅲ类围岩对应Ⅳ级围岩,以此类推。岩石等级划分Rc(MPa)>6060～3030～1515～5<5新规范坚硬岩较坚硬岩较软岩软岩极软岩原规范极硬岩硬质岩软质岩极软岩单轴抗压强度：是在单向受压条件下，岩石试件破坏时的极限压应力值。将岩石试验放在压力机的上下压板之间进行加压，直至试样被压坏时测得的压力强度值。

新规范Kv与定性划分的岩体完整程度的对应关系Kv>0.750.75～0.550.55～0.350.35～0.15<0.15完整程度完整较完整较破碎破碎极破碎Jv与Kv对照表Jv<33～1010～2020～35>35Kv>0.750.75～0.550.55～0.350.